DE19737498C2 - Optische Verbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Verbindung zwischen der Oberfläche eines optischen Fensters und der Endfläche eines Lichtwellenleiters.

Optische Verbindungen, insbesondere Steckverbindungen sind in der Nachrichtentechnik grundsätzlich bekannt und werden im großen Umfang eingesetzt. Bekannte Stecker mit einem Lichtwellenleiter, zwei Lichtwellenleitern, zum Beispiel zur Hausverkabelung oder EDV-Verkabelung oder mit vier bis vierundzwanzig Lichtwellenleitern werden sowohl zur Daten- und Informationsübertragung als auch zur Bildübertragung und Sprachübertragung verwendet. Die optischen Steckverbindungen sind prinzipiell wie folgt aufgebaut: Der Lichtwellenleiter mit einem typischen Außendurchmesser von 125 µm wird im Zentrum eines Stiftes aus Hartmetall oder Keramik fixiert, wobei der Stiftdurchmesser 2,5 mm oder 1,25 mm beträgt. An der Stirnfläche des Stiftes ragt die zu einer Kugelkalotte polierte Endfläche des Lichtwellenleiters etwas hervor. Die Stifte werden über eine zylindrische Hülse mit hoher Präzision zusammengesteckt, sodaß der Versatz der Faserkerne weniger als 1 µm beträgt. Das Stecken erfolgt mit einem kleinen Andruck, wodurch die Kugelkalotten in der Mitte abgeflacht werden. Es entsteht bei sauberen Endflächen ein optischer Kontakt mit geringem Einfügeverlust und sehr kleiner Rückreflexion. In T. Shintaku et al. "Highly Stable Physical-Contact Optical Fiber Connectors with Sperical Convex Ends", Journal of Lightwave Technology 11, 2 (1993) 241, ist eine ausführliche Beschreibung der Grundlagen und der Herstellung für optische Steckverbindungen veröffentlicht.

Aus der DE 38 04 732 A1 ist eine optische Verbindung zwischen der Oberfläche eines optischen Fensters und der Endfläche eines Lichtwellenleiters, zum Beispiel für Meßzwecke, bekannt. Die optischen Fenster sind dann auf jeder Seite mit einer relativ dicken absorptionsfreien Schutzschicht versehen.

Außerdem geht aus der US 4 602 847 hervor, daß harte Schutzschichten, die härter als Quarzglas sind, als Schutzschichten auf Quarzglas aufgebracht werden können.

Außerdem ist in Applied Optics/Vol. 21, No. 8,/­ 15. April 1982, Seiten 1501 bis 1511 ausgeführt, daß optisch dünne Schichten aus verschiedenen Materialien hergestellt werden können, die in optischen Dünnfilmsystemen Anwendung finden.

Zusätzlich ist aus der nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 197 12 950 A1 die optische Steckverbindung zwischen den Enden zweier Lichtwellenleiter, aber nicht die Verbindung zwischen einem optischen Fenster und einem Lichtwellenleiter bekannt.

Bei verschiedenen Anwendungen optischer Verbindungen, zum Beispiel in der Meßtechnik, bei denen die mechanische Stabilität einer Grenzfläche klein ist, weil sie aus einem relativ weichen Material besteht, wie zum Beispiel Quarzglas, Glas oder Kunststoff, tritt eine störende Veränderung der Transmission ein. Insbesondere bei Anwendungen in der Meßtechnik, wenn zur Messung von Faserparametern, zum Beispiel der Dämpfung, die Endfläche einer Faser auf einem optischen Fenster vor einer Lichtquelle oder einem optischen Detektor aufgesetzt wird, ist eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der Grenzfläche des optischen Fensters, auf der die Faser aufgesetzt wird, erforderlich. Um störende Reflexionen hierbei zu vermeiden, wird das Fenster im allgemeinen aus dem gleichen Material hergestellt wie die Faser, und die Brechzahlenanpassung zwischen Faserendfläche und Fensteroberfläche durch ein Medium mit gleicher Brechzahl, zum Beispiel Immersionsöl oder -gel, optimiert.

Beim Aufsetzen der Faser auf die Fensteroberfläche kommt es durch Verunreinigungen auf den Grenzflächen, wie zum Beispiel durch Staubpartikel oder durch Grate an der gebrochenen Faserendfläche zu Beschädigungen meist Kratzern. Solche Schäden an der Fensteroberfläche in dem Bereich, den das Meßlicht durchstrahlt, verfälschen die Meßergebnisse und stellen somit ein Problem für die Meßtechnik dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die optische Verbindung zwischen Lichtwellenleitern und optischen Fenstern, insbesondere für die Anwendung in der Meßtechnik dahingehend zu verbessern, daß schädliche Transmissions­ änderungen vermieden werden, eine höhere Meßgenauigkeit und verbesserte Langzeitstabilität erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 charakterisiert. Weitere konkrete Ausge­ staltungen ergeben sich aus den Kennzeichen der Patentansprüche 2 und 3.

Die mechanische Stabilität der Fensteroberfläche wird wesentlich verbessert, in dem eine harte, dünne Schicht aus Al₂O₃ (Saphir) oder anderen harten ähnlichen Substanzen aufgebracht wird, ohne daß dadurch eine störende Reflexionserhöhung auftritt.

Im nachfolgenden wird die erfindungsgemäße Ausführung, insbesondere ein Anwendungsfall aus der Meßtechnik beschrieben. Wenn zur Messung von Faserparametern von Lichtwellenleitern, zum Beispiel der Dämpfung, die Endflächen einer Faser auf einem optischen Fenster vor einer Lichtquelle oder einem optischen Detektor aufgesetzt werden, wird im vorliegenden Falle ein Fenster benutzt, bei dem die mechanische Stabilität der Fensteroberfläche wesentlich verbessert ist. Dies geschieht dadurch, daß eine aufgebrachte harte, sehr dünne Schutzschicht aus Korund (Al₂O₃) oder anderen harten ähnlichen Substanzen besteht. Durch diese Maßnahme erfolgt die optische Verbindung zwichen Lichtwellenleiter bzw. -faser und optischen Fenster ohne störende Erhöhung der Reflexion und ohne Transmissionsveränderungen durch Beschädigung der Fensteroberfläche, wodurch sich wesentlich genauere Meßergebnisse erzielen lassen. Es soll allerdings betont werden, daß die Anwendung nicht nur auf solche Meßanordnungen beschränkt ist, sondern auf jede optische Kontaktfläche zwischen einer Oberfläche eines optischen Fensters und einer Endfläche eines Lichtwellenleiters bzw. -fasern anwendbar ist.

Als Materialien für die aufzubringende Schutzschicht kommen neben Al₂O₃ alle absorptionsfreien Stoffe mit noch größerer Härte in Frage. Geeignete Oxide sind unter anderem Y₂O₃, Sc₂O₃, ZrO₂ und HfO₂ wie aus der Veröffentlichung von N. Kaiser: "Dünne Schichten für den ultravioletten Spektralbereich", Laser und Optoelektronik 28, 2 (1996) 52, hervorgeht. In der Veröffentlichung von F. Richter: "Superharte dünne Schichten", Physikalische Blätter 52, 4 (1996) 355" werden eine Anzahl von Substanzen angegeben, wie zum Beispiel Nitride, Boride und Carbide, deren Härte zwischen der von Al₂O₃ und der von Diamanten liegt.

Zur Herstellung der Schutzschichten können unter anderem ionengestützte Verfahren, wie in den beiden letztgenannten Veröffentlichungen beschrieben, Ionenstrahl- Zerstäubungsverfahren, wie in der Veröffentlichung von R. Henking et al.: "Ionentrahl-Zerstäuben: Ein Beschichtungsverfahren für Laserkomponenten der Zukunft", Laser und Optoelektronik 28, 2 (1996) 43, oder das MikroPlasma-Verfahren gemäß der Veröffentlichung von M. A. Scobey et al.: "Passive DWDM components using MicroPlasma optical interference filters", Optical Fiber Conference OFC 1996, Thk 1 S. 242 bis 243, eingesetzt werden.

Dadurch daß die Fensteroberflächen mit einer dünnen, absorptionsfreien Schicht aus sehr hartem Material beschichtet sind, erhöht sich die Kratzfestigkeit der Oberfläche des optischen Fensters sehr wesentlich. Die Dicke der Schutzschicht wird dabei so gering bemessen, daß störende Reflexionsverluste durch Brechungszahlunterschiede weitgehend vermieden werden. Die Herstellung der Schutzschicht bzw. das Auftragen der entsprechenden Materialien kann durch ionengestützte Verfahren, Ionenstrahl-Zerstäuben oder durch bekannte MikroPlasma- Verfahren erfolgen. Die Beschichtungsdauer ist wegen der geringen Dicke der Schutzschicht relativ kurz. Die auf das optische Fenster aufgebrachten Faserenden können nun die Oberfäche des optischen Fensters nicht mehr zerkratzen. Die Schutzschichten können auch aus einem absorptionsfreien, anorganischen oder organischen Material großer Härte bestehen, wenn das optische Fenster aus Kunststoff besteht. Die Schutzschicht für ein optisches Fenster oder dergleichen aus Quarzglas kann auch aus Oxiden, Nitriden, Boriden oder Carbiden bestehen. Die optische Dicke der Schutzschicht liegt zwischen 1/1000 und 1/10 der Betriebswellenlänge. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß es sehr vorteilhaft ist, zur Vermeidung störender Reflexionsverluste durch Brechungsunterschiede die Dicke der Schutzschicht so gering wie nur möglich zu bemessen. Als weiteres Material für die Schutzschicht sind zum Beispiel die Oxide Y₂O₃, Sc₂O₃, ZrO₂ und HfO₂ geeignet.

Dadurch, daß nunmehr die Oberfläche des optischen Fensters mit einer sehr harten, reflexionsfreien und dünnen Schutzschicht versehen ist, können Verunreinigungen beim Aufsetzen der Faser auf die Grenzfläche oder Grate an der gebrochenen Faserendfläche nicht mehr zu Beschädigungen führen.

Claims (3)

1. Optische Verbindung zwischen der Oberfläche eines optischen Fensters und der Endfläche eines Lichtwellenleiters, wobei das optische Fenster weder ein Lichtwellenleiter noch ein Ende eines Lichtwellenleiters ist, mit folgenden Merkmalen:

• a) das optische Fenster besteht aus einem Material, nämlich Quarzglas, Mehrkomponentenglas oder Kunststoff, und lediglich einer einzigen Schicht, die die Oberfläche bildet, und
• b) diese einzige Schicht bildet eine absorptionsfreie Schutzschicht, deren optische Dicke zwischen 1/1000 und 1/10 der Betriebswellenlänge des Lichtwellenleiters liegt und deren Härte größer ist als die des Materials, aus dem der Lichtwellenleiter besteht.

2. Optische Verbindung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter aus Quarzglas und die Schutzschicht des optischen Fensters aus Korund, Oxiden, Nitriden, Boriden oder Carbiden bestehen.

3. Optische Verbindung nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Oxide Y₂O₃, Sc₂O₃, ZrO₂ oder HfO₂ sind.